Жизненный цикл солнца
Солнце является молодой звездой третьего поколения (популяции I) с высоким содержанием металлов, то есть оно образовалось из останков звёзд первого и второго поколений (соответственно популяций III и II). Текущий возраст Солнца (точнее время его существования на главной последовательности), оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,5 млрд лет.
Считается, что Солнце сформировалось примерно 4,5 млрд лет назад, когда быстрое сжатие под действием сил гравитации облака молекулярного водорода привело к образованию в нашей области Галактики звезды первого типа звёздного населения типа T Тельца. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино. По мере того, как Солнце постепенно расходует запасы своего водородного горючего, оно становится всё горячее, а его светимость медленно, но неуклонно увеличивается.
К возрасту 5,6 млрд лет, через 1,1 млрд лет от настоящего времени, наше дневное светило будет ярче на 11 %, чем сейчас. Уже в этот период, ещё до стадии красного гиганта, возможно исчезновение жизни из-за повышения температуры поверхности Земли, вызванного увеличением яркости Солнца и парникового эффекта, индуцированного парами воды. К этому моменту Солнце достигнет максимальной поверхностной температуры (5800 К) за всё своё время эволюции в прошлом и будущем вплоть до фазы белого карлика; на следующих стадиях температура фотосферы будет меньше. Несмотря на прекращение жизни в её современном понимании, жизнь может остаться в океанах.
К возрасту 8 млрд лет (через 3,5 млрд лет от настоящего времени) яркость Солнца возрастёт на 40 %. К тому времени условия на Земле будут подобны условиям на Венере сегодня: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос. Эта катастрофа приведёт к окончательному уничтожению всех форм жизни на Земле. По мере того как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.
К возрасту 10,9 млрд лет (6,4 млрд лет от настоящего времени), водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий, ещё неспособный в этих условиях к термоядерному горению, станет сжиматься и уплотняться ввиду прекращения ранее поддерживавшего его «на весу» потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться в тонком внешнем слое ядра. На этой стадии радиус Солнца увеличится в 1,59 раз, а светимость будет в 2,21 раза больше современной. В течение следующих 0,7 млрд лет Солнце будет относительно быстро расширяться (до 2,3 раз), сохраняя почти постоянную светимость, а его температура упадёт с 5500 K до 4900 K. В конце этой фазы, достигнув возраста 11,6 млрд лет (через 7 млрд лет от настоящего времени) Солнце станет субгигантом.
К возрасту 12,2 млрд лет, приблизительно через 7,6-7,8 миллиардов лет ядро Солнца разогреется настолько, что запустит процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек светила, и таким образом Солнце покинет главную последовательность, на которой оно находилось почти с момента своего рождения, и станет красным гигантом. В этой фазе радиус Солнца увеличится в 256 раз по сравнению с современным. Расширение звезды приведёт к сильному увеличению её светимости (в 2700 раз) и охлаждению поверхности до 2650 К. По-видимому, расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. При этом исследования показывают, что ещё до этого момента из-за усиления солнечного ветра вследствие многократного увеличения площади поверхности Солнце потеряет более 28 % своей массы, что приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту и, таким образом, избежит поглощения внешними слоями солнечной плазмы. Хотя Земля, скорее всего, всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие замедления вращения Солнца и последующих приливных взаимодействий с его внешней оболочкой, которые приведут к приближению орбиты Земли обратно к Солнцу. Даже если наша планета избежит поглощения Солнцем, вся вода на ней перейдёт в газообразное состояние, а её атмосфера будет сорвана сильнейшим солнечным ветром.
Данная фаза существования Солнца продлится лишь около десяти миллионов лет. Когда температура в ядре достигнет 100 млн К, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере до 9,5 современных размеров солнца. Спустя 100—110 млн лет, когда запасы гелия иссякнут, повторится бурное расширение внешних оболочек звезды, и она снова станет красным гигантом. Этот период существования Солнца будет сопровождаться мощными вспышками, временами его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз. Это будет происходить от того, что в термоядерную реакцию будут вступать ранее не затронутые остатки гелия. В таком состоянии Солнце просуществует около 20 млн лет.
Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. После того как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана, и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированный из ядра Солнца белый карлик, очень горячий и плотный объект, но размером только с Землю. Изначально этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 000 К и светимость 3500 солнечных, но в течение многих миллионов и миллиардов лет будет остывать и угасать. Данный жизненный цикл считается типичным для звёзд малой и средней массы.
Источник
Эволюция Солнца
Наше Солнце – типичный пример звезды, эволюционировавшей из звездной туманности 4,6 миллиарда лет назад. Но как выглядит рождение и развитие Солнца? Давайте внимательно изучим этапы солнечной эволюции.
Рождение и эволюция Солнца
Солнце и все ближайшие планеты начали свое существование в гигантском облаке молекулярного газа и пыли. Примерно 4,6 миллиарда лет назад это облако под воздействием внешних сил (гравитационного поля ближайших звезд или выброса энергии сверхновой) начало сжиматься. Во время сжатия внутренние силы газа и взаимодействие частиц пыли сформировали участки пространства с большей плотностью материи. Эти скопления позже дадут начало жизни бесчисленного количества звездных систем, в том числе и нашей.
В процессе сжатия скоплений из-за сил взаимодействия частиц наша будущая звезда начала вращаться. Центробежная сила создала большой шар материи в центре и плоский диск из пыли и газа ближе к краю новосозданной системы. Из центрального шара позже образуется Солнце, а из диска – планеты и астероиды. В течение первых ста тысяч лет после сжатия газового облака Солнце было коллапсирующей протозвездой. Это продолжалось пока температура и давление звезды не привели к воспламенению ее центральной части – ядра. С этого момента наша звезда превратилась в светило типа Т Тельца – очень активную звезду с сильным солнечным ветром. Со временем Солнце постепенно стабилизировалось и обрело свою теперешнюю форму. Так началась жизнь нашей ближайшей звезды, но это лишь первый этап эволюции Солнца.
Основной этап эволюции Солнца
Солнце в собственном развитии находится на основном этапе жизни, как и большинство звезд во Вселенной. В ее ядре ежесекундно 600 миллионов тонн водорода превращается в гелий и производится 4*1027 Ватт энергии. Этот процесс в ядре Солнца начался 4,6 миллиарда лет назад и не менялся с тех пор. Но запас гидрогена в звезде не безграничен: горючего светилу хватит еще на 7 миллиардов лет жизни.
Чем больше в звезде накапливается гелия, тем больше сгорает водорода. Следствием этого является больший выход энергии и увеличение яркости свечения. Вы едва ли заметите эти изменения в краткосрочной перспективе, но за последующий миллиард лет Солнце станет ярче на 10%. А это уже не обещает ничего хорошего Земле и другим планетам нашей системы.
Увеличение выхода энергии ядерного синтеза внутри Солнца за миллиард лет приведет к сильному парниковому эффекту на Земле, подобному тому, что происходит сейчас на Венере. Со временем влага, содержащаяся в атмосфере планеты, выветрится усиленным солнечным излучением.
Через 3,5 миллиарда лет Солнце будет ярче уже на 40%, чем сейчас. Температура на поверхности Земли увеличится настолько, что существование на ней жидкой воды станет невозможным. Океаны выкипят, и пар не задержится в атмосфере. Ледники растают, а снег останется лишь мифом давно забытых времен. Все условия для жизни на планете будут уничтожены безжалостным солнечным излучением. Наша голубая планета окончательно превратится в раскаленную высушенную Венеру.
Смерть звезды
Туманность Эскимос как наглядная картинка вероятной смерти нашего Солнца
Ничто не вечно. Это правило справедливо для всего: для нас, для нашего дома – Земли и для Солнца. Хоть конец Солнечной системы и не произойдет завтра и не выпадет на век кого-либо из живущих сегодня, когда-нибудь в далеком будущем звезда израсходует все топливо и отправится в последний путь, к забвению. Как же закончится развитие Солнца?
Примерно через 6 миллиардов лет Солнце израсходует все запасы водорода в ядре. После этого инертный гелий, накопившейся в ядре звезды, станет нестабильным и начнет коллапсировать под собственным весом. Вследствие этого ядро начнет нагреваться и уплотняться. Солнце начнет увеличивать свои размеры, пока не перейдет в стадию красного гиганта. Растущая звезда поглотит Меркурий, Венеру и, наверное, даже Землю. Но даже в случае, если наша планета уцелеет, жар от раскаленной звезды нагреет ее поверхность и превратит в настоящий ад для любой известной органической жизни.
Когда Солнце окончательно сгорит?
Последовательность ядерного синтеза внутри звезд
Смерть любой звезды, находящейся в стадии красного гиганта, не за горами. У Солнца будет еще достаточно температуры и давления, чтобы начать следующий этап ядерного синтеза: из гелия, который в этот раз будет топливом, синтезируется углерод. Этот этап займет около ста миллионов лет – до того момента, когда выгорит весь гелий. В конце оболочка станет нестабильной, и звезда начнет усиленно пульсировать. За весьма короткий промежуток времени эти пульсации выбросят в открытый космос большую часть атмосферы Солнца.
Когда от атмосферы недавнего гиганта ничего не останется, вместо большой и яркой звезды в пространстве повиснет белый карлик – небольшое, размером с Землю, светило из чистого карбона, по массе равное звезде. Алмаз размером с нашу планету будет еще долго светиться тепловым излучением, но этого недостаточно для ядерного синтеза. Со временем он остынет до температуры окружающей среды – пары градусов выше абсолютного нуля.
Так закончится жизнь нашего Солнца – одиноким алмазным постаментом.
Взорвется ли Солнце?
Крабовидная туманность — яркий пример остатка сверхновой
Нет ни одного реалистичного сценария, по которому Солнце бы взорвалось. Хоть нам она и кажется огромной, наша звезда невелика относительно невообразимо больших звезд, которыми полна Вселенная. Даже когда Солнце сжигает весь гидроген, она сначала растет, а потом уменьшается до размера небольшой планеты, медленно остывая триллионы лет.
Для того чтобы звезда взорвалась, ее масса должна значительно превышать массу Солнца. Если бы наша звезда была бы в десяток раз больше, тогда можно было бы говорить о взрыве. Сверхмассивные звезды после расходования водорода и гелия продолжают синтез более тяжелых элементов – вплоть до железа, синтез которого не сопровождается выделением энергии. Тогда внутреннее давление звезды, удерживавшее ее от воздействия гравитационных сил, исчезает, и звезда взрывается, выбрасывая в космос огромное количество энергии.
После взрыва от таких звезд остаются нейтронные звезды, которые быстро вращаются вокруг своей оси, или даже черные дыры.
Помните, масса Солнца слишком мала, чтобы когда-либо взорваться. И этого не произойдет, так что переживать не стоит.
Источник
Опишите жизненный путь солнца
С древних времён человечество боялось «конца света» или апокалипсиса. Этим пользовались многочисленные шарлатаны и предсказатели, запугивая людей близкой катастрофой и неплохо на этом зарабатывая.
По некоторым данным, первое предсказание о конце света, которое сохранилось в истории, было сделано римлянами еще в 7-м веке до нашей эры. Многие жители древнего Рима опасались, что город будет разрушен на 120-ю годовщину его основания, в 634-м году до нашей эры, из-за того что основателю Рима – Ромулу явились 12 орлов. Но, как нам известно, Рим был разграблен варварами только через 800 лет в 410 году, причём население в основном не пострадало, а сам город стоит и поныне.
Вторым устойчивым мифом о конце света является предсказание, что второе пришествие Иисуса Христа знаменует конец света. Некоторые полагали, что Христос должен прийти в 1000 году, некоторые, что в 1033-ом. Когда же это пророчество не сбылось, дату отодвинули на 2000 год, а теперь и на 2033 (+ 2000 лет после смерти Иисуса Христа).
Также популярно было ждать конца света 2012 году в связи с тем, что календарь племени Майя был рассчитан только до 2012-го года от Рождества Христова. Много простаков, поверивших в это предсказание, раздали всё своё имущество или наоборот потратили всё на строительство бункеров-убежищ.
С научной же точки зрения, «конец света» или гибель всего живого может наступить по нескольким объективным причинам. Среди них: мировая война, пандемия (всемирная эпидемия), голод, всемирное потепление или ледниковый период и еще несколько более экзотических вариантов.
Но все эти события гипотетические и, надеемся, они никогда не произойдут.
Но есть одна 100% причина гибели всего живого на Земле – это Солнце…
Что такое Солнце? Солнце это типичная звезда спектрального класса G, ближайшая к нашей планете. Оно даёт свет и тепло, благодаря которым на нашей планете есть жизнь[1].
А что такое звезда? Звезда это огромный шар, состоящий из раскалённых газов. Внутри у него идут термоядерные реакции, а наружу испускается излучения: свет, тепло, магнитные и радиоволны. У звёзд, как и у всего во вселенной есть начало и конец, рождение и угасание[1].
Частые упоминания о гибели Земли в ближайшее время и послужило причиной разобраться в этом вопросе и просчитать время, в течение которого будет существовать жизнь на Земле благодаря солнечной энергии.
Цель работы – изучить жизненный цикл звезды Солнце.
1. Изучить и проанализировать литературу по теме исследования;
2. Определить стадию жизненного цикла Солнца;
3. Определить время перехода Солнца в следующую стадию существования;
4. Просчитать какие изменения произойдут в солнечной системе в момент перехода Солнца в следующую стадию.
Цикл жизни звезды
Вселенная состоит из галактик, галактики — из звёздных систем, звёздные системы — из звёзд и планет, обращающихся вокруг них. На одной из таких планет мы с вами сейчас и живём.
Сколько существует вселенная — доподлинно неизвестно, но о возрасте галактики Млечный путь учёные говорят с уверенностью: 13-15 миллиардов лет [2].
Примерно 4,7 миллиарда лет (4 700 000 000) назад начала свою жизнь звезда по имени Солнце. Сначала как облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения и принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации переходила в тепло и температура возрастала. Когда температура достигла 15—20 миллионов градусов, начались термоядерные реакции и этот вселенский объект стал полноценной звездой. Началась первая и самая долгая стадия жизни звезды – солнечная, когда в звезде в результате термоядерной реакции сгорает водород и испускается излучение, благодаря которому и существует жизнь на планете Земля [1].
По прошествии некоторого времени Солнце истратит свои водородные ресурсы и начнётся термоядерная реакция нового типа, где топливом будет являться гелий.
Возобновившееся на новом топливе термоядерное «горение» вещества станет причиной чудовищного расширения звезды. Звезда «распухнет» и её размер серьёзно увеличится, в 1 000 раз[2]. Так звезда Солнце перейдёт в стадию Красного гиганта (рис. 1). Что же при этом произойдёт с планетами Солнечной системы, поглотит ли этот новый огромный космический объект только самую ближнюю к Солнцу планету Меркурий или все планеты солнечной системы? Мы рассчитаем и узнаем чуть позже, в главе 2.
Рис. 1. Жизненный цикл Солнца
Фаза горения гелия будет продолжаться еще нескольких миллионов лет, по прошествии которых Солнце истратит и весь свой гелий, сожмётся, перейдя в стадию Белого карлика, размером с сегодняшнее Солнце, только в 100 раз тяжелее, чем сейчас и далее окончательно остынет, перестав давать и жизнь всей солнечной системе[8].
Водородного топлива у нашего светила осталось еще примерно на 5 миллиардов лет (рис.2), после чего Солнце начнёт сжигать гелий и перейдёт в фазу Красного гиганта. Эта стадия продлится ещё примерно 2 миллиарда лет [8].Итого – все 7 миллиардов!
Рис. 2. Жизненный цикл Солнца с временной шкалой
Таким образом, всем землянам до 5 000 002 016 года можно абсолютно не беспокоиться о солнечном свете и тепле. Но остался вопрос расширения Солнца в период превращения его в Красного гиганта.
Расчёт увеличения диаметра Солнца на стадии Красного гиганта
Мы уже узнали, что примерно через 5 миллиардов лет Солнце превратится в Красного гиганта – звезду много большего диаметра, а ведь при этом может пострадать не только ближний к Солнцу Меркурий, но и планета Земля! Давайте точно рассчитаем увеличение диаметра Солнца и поймём, стоит ли опасаться этого перехода или можно спокойно рассчитывать еще на 7 миллиардов лет света и тепла.
Наши крупные меры длины, достаточные для измерения расстояния на Земле – километр, морская миля (1 852 м=1,852 км) и географическая миля (равная 4 морским) — оказываются слишком малы для измерений небесных расстояний. Мерить ими небесные расстояния также неудобно, как измерять миллиметрами длину железной дороги. Расстояние, например, от Юпитера до Солнца составляет 780 миллионов километров [1].
Чтобы не иметь дела с длинными рядами нулей, в астрономии используют более крупные единицы длины.
И мы для расчета размера Солнца в момент перехода в состояние Красного гиганта, будем использовать величину расстояния, используемую в астрономии в пределах Солнечной системы.
Это величина называется астрономической единицей, или а.е., она равна среднему расстоянию от Земли до Солнца — 149 600 000 км [1].
В таких единицах расстояние
от Меркурия до Солнца – 0,387 а.е.
от Земли до Солнца – 1 а.е.
от Марса до Солнца – 1,5 а.е.
от Юпитера до Солнца – 5,2 а.е.
от Сатурна до Солнца – 9,54 а.е.
Произведем расчет размера Солнца в состоянии Красного гиганта:
— в настоящее время диаметр Солнца составляет 1 392 000 км и оно находится на стадии относительно спокойной активности;
— при переходе в состояние Красного гиганта, её диаметр увеличится в 1 000 раз и составит: 1 392 000 000 км = 9,3 а.е.
Соответственно, радиус светила станет равен 4,65 а.е.
Из этих расчетов видно, что в момент перехода Солнце в новое состояние, оно поглотит в себе все планеты земной группы (Меркурий, Венеру, Землю и Марс).
Таким образом, проведя вычисления, мы убедились в том, что жизни на Земле со стороны Солнца глобально ничего не будет угрожать ближайшие 5 миллиардов лет. Затем наше светило, увеличившееся в 1000 раз в результате превращения в звезду Красный гигант, поглотит все планеты земной группы, включая Землю (рис.3 и рис.4).
Рис.3. Вид Солнечной системы в нынешнее время
Рис.4. Вид Солнечной системы в 5 002 016 году (прогноз)
Остаётся надеяться, что учёные будущего сумеют избежать этой катастрофы. Например, можно заправить Солнце дополнительным водородом, собранном на просторах бескрайнего космоса или превратив Землю в космический корабль отправиться в другие галактики, к другим Солнцам!
Источник